開關電源MOS管的8大損耗及選型基本原則解析

開關損耗概述

開關損耗包括導通損耗和截止損耗。導通損耗指功率管從截止到導通時，所產(chǎn)生的功率損耗。截止損耗指功率管從導通到截止時，所產(chǎn)生的功率損耗。開關損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關斷損耗（Turn-of Loss），常常在硬開關（Hard-Switching）和軟開關（Soft-Switching）中討論。

所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關管在開通時，開關管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間內(nèi)，開關管的電流和電壓有一個交疊區(qū)，會產(chǎn)生損耗，這個損耗即為開通損耗。以此類比，可以得出關斷損耗產(chǎn)生的原因，這里不再贅述。開關損耗另一個意思是指在開關電源中，對大的MOS管進行開關操作時，需要對寄生電容充放電，這樣也會引起損耗。

MOS設計選型的幾個基本原則

建議初選之基本步驟：

1、電壓應力

在電源電路應用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：

VDS_peak≤ 90% * V(BR)DSS

注：一般地， V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應取設備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。

2、漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

ID_max≤ 90% * ID

ID_pulse≤ 90% * IDP

注：一般地,ID_max及ID_pulse 具有負溫度系數(shù)，故應取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max及ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術，器件其它參數(shù)（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據(jù)經(jīng)驗，在實際應用中規(guī)格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數(shù)倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于3至5倍左右ID= (3-5)*ID_max。

3、驅(qū)動要求

MOSFEF 的驅(qū)動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動電路的設計。驅(qū)動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）

4、損耗及散熱

小的 Ron 值有利于減小導通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

5、損耗功率初算

MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：

PD= Pon+ Poff+ Poff_on+ Pon_off+ Pds+ Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細計算公式應根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合，還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。

6、耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max應以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PD,max≤ （ Tj,max- Tamb）/ Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件結(jié)點到其工作環(huán)境之間的總熱阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。

MOS管損耗的8個組成部分

在器件設計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算（所謂先期計算是指在沒能夠測試各工作波形的情況下，利用器件規(guī)格書提供的參數(shù)及工作電路的計算值和預計波形，套用公式進行理論上的近似計算）。

MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：

（一）導通損耗Pon

導通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負載電流（即漏源電流） IDS(on)(t)在導通電阻 RDS(on)上產(chǎn)生之壓降造成的損耗。

導通損耗計算

先通過計算得到 IDS(on)(t)函數(shù)表達式并算出其有效值 IDS(on)rms，再通過如下電阻損耗計算式計算：

Pon=IDS(on)rms2× RDS(on)× K × Don

說明

計算 IDS(on)rms時使用的時期僅是導通時間 Ton ，而不是整個工作周期 Ts ； RDS(on) 會隨 IDS(on)(t)值和器件結(jié)點溫度不同而有所不同，此時的原則是根據(jù)規(guī)格書查找盡量靠近預計工作條件下的 RDS(on) 值（即乘以規(guī)格書提供的一個溫度系數(shù) K ）。

（二）截止損耗Poff

截止損耗，指在 MOSFET 完全截止后在漏源電壓 VDS(off) 應力下產(chǎn)生的漏電流 IDSS造成的損耗。

截止損耗計算

先通過計算得到 MOSFET 截止時所承受的漏源電壓 VDS(off) ，在查找器件規(guī)格書提供之 IDSS ，再通過如下公式計算：

Poff=VDS(off)× IDSS×（ 1-Don）

說明

IDSS會依 VDS(off) 變化而變化，而規(guī)格書提供的此值是在一近似 V(BR)DSS條件下的參數(shù)。如計算得到的漏源電壓 VDS(off)很大以至接近 V(BR)DSS則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項。

（三）開啟過程損壞

開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS(off_on)(t)與逐漸上升的負載電流（即漏源電流） IDS(off_on)(t)交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計算

開啟過程 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上圖所示。首先須計算或預計得到開啟時刻前之 VDS(off_end)、開啟完成后的 IDS(on_beginning)即圖示之 Ip1，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx。然后再通過如下公式計算：

Poff_on= fs×∫TxVDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

實際計算中主要有兩種假設 — 圖 (A) 那種假設認為 VDS(off_on)(t)的開始下降與 ID(off_on)(t)的逐漸上升同時發(fā)生；圖 (B) 那種假設認為 VDS(off_on)(t)的下降是從 ID(off_on)(t)上升到最大值后才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構(gòu)路中一 MOSFET 實際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設。針對這兩種假設延伸出兩種計算公式：

(A) 類假設 Poff_on=1/6×VDS(off_end)×Ip1×tr ×fs

(B) 類假設 Poff_on=1/2×VDS(off_end)×Ip1×(td(on)+tr)×fs

(B) 類假設可作為最惡劣模式的計算值。

說明

圖 (C) 的實際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1（電源使用中 Ip1 參數(shù)往往是激磁電流的 初始值）。疊加的電流波峰確切數(shù)值我們難以預計得到，其 跟電路架構(gòu)和器件參數(shù)有關。例如 FLYBACK 中 實際電流應 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢 復電流感應回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器 初級側(cè)繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關開通瞬間釋放的 電流 ) 。這個難以預計的數(shù)值也是造成此部分計算誤差的 主要原因之一。

（四）關斷過程損耗

關斷過程損耗。指在 MOSFET 關斷過程中 逐漸上升的漏源電壓 VDS(on_off) (t)與逐漸 下降的漏源電流 IDS(on_off)(t)的交叉重 疊部分造成的損耗。

關斷過程損耗計算

如上圖所示，此部分損耗計算原理及方法跟 Poff_on類似。 首先須計算或預計得到關斷完成后之漏源電壓 VDS(off_beginning)、關斷時刻前的負載電流 IDS(on_end)即圖示之 Ip2 以及 VDS(on_off) (t)與 IDS(on_off)(t)重疊時間 Tx 。然后再通過 如下公式計算：

Poff_on= fs×∫ TxVDS(on_off)(t) × IDS(on_off)(t) × dt

實際計算中，針對這兩種假設延伸出兩個計算公式：

(A) 類假設 Poff_on=1/6 × VDS(off_beginning) × Ip2 × tf × fs

(B) 類假設 Poff_on=1/2 × VDS(off_beginning) × Ip2 × (td(off)+tf) × fs

(B) 類假設可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

IDS(on_end) =Ip2，電源使用中這一參數(shù)往往是激磁電流 的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關斷完成后之 VDS(off_beginning)往往都有一個很大的電壓尖峰 Vspike 疊加其 上，此值可大致按經(jīng)驗估算。

（五）驅(qū)動損壞Pgs

驅(qū)動損耗，指柵極接受驅(qū)動電源進行驅(qū)動造成之損耗

驅(qū)動損耗的計算

確定驅(qū)動電源電壓 Vgs后，可通過如下公式進行計算：

Pgs= Vgs × Qg × fs

說明

Qg 為總驅(qū)動電量，可通過器件規(guī)格書查找得到。

（六）Coss電容的泄放損耗Pds

Coss電容的泄放損壞,指MOS輸出電容 Coss 截止期間儲蓄的電場能于導同期間在漏源極上的泄放損耗。

Coss電容的泄放損耗計算

首先須計算或預計得到開啟時刻前之 VDS，再通過如下公式進行計算：

Pds=1/2 × VDS(off_end)2× Coss × fs

說明

Coss 為 MOSFET 輸出電容，一般可等于 Cds ，此值可通過器件規(guī)格書查找得到。

（七） 體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗Pd_f

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗,指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流時因正向壓降造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管正向?qū)〒p耗計算

在一些利用體內(nèi)寄生二極管進行載流的應用中（例如同步整流），需要對此部分之損耗進行計算。公式如下：

Pd_f = IF × VDF × tx × fs

其中： IF 為二極管承載的電流量， VDF 為二極管正向?qū)▔航担?tx 為一周期內(nèi)二極管承載電流的時間。

說明

會因器件結(jié)溫及承載的電流大小不同而不同。可根據(jù)實際應用環(huán)境在其規(guī)格書上查找到盡量接近之數(shù)值。

（八）體內(nèi)寄生二極管反向恢復損耗Pd_recover

體內(nèi)寄生二極管反向恢復損耗，指MOS體內(nèi)寄生二極管在承載正向電流后因反向壓致使的反向恢復造成的損耗。

體內(nèi)寄生二極管反向恢復損耗計算

這一損耗原理及計算方法與普通二極管的反向恢復損耗一樣。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 為二極管反向壓降， Qrr 為二極管反向恢復電量，由器件提供之規(guī)格書中查找而得。

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